Svavelutfällningar i västsvenska gasnätet: litteraturgranskning och dataanalys av biometan-, och naturgassammansättning

Abstract (Swedish)

För att motverka den globala uppvärmningen sker i nuläget en övergång till förnybara energikällor, bland annat genom att injicera biometan i naturgasnätet. Integrationen av gas från olika källor har dock lett till ett problem: svavelutfällningar. Detta fenomen kan leda till att rör och utrustning går sönder och inte fungerar som de ska, samt en hälsorisk för operatörerna.

År 2021 upptäcktes svavelutfällningar, huvudsakligen bestående av svaveltrioxid (SO3), i det västsvenska gasnätet. Detta examensarbete syftar till att analysera fenomenet svavelutfällningar: dess orsak, kvantitet och potentiella strategier för att begränsa utfällningarna i det västsvenska gasnätet.

För att besvara dessa frågor analyseras koncentrationsdata för syre (O2), koldioxid (CO2), vätesulfid (H2S) och totalt svavel (S) som kompletterades med en rigorös litteraturanalys.


Resultaten visar att svavelutfällningar är ett komplext fenomen som beror på gassammansättningen och tekniska driftsförhållanden såsom tryck- och temperatursänkning i rörledningarna. Även smörjmedel och liknande som operatörerna använder kan bidra till utfällningsfenomenet.

Resultaten indikerar också att svavelutfällningar potentiellt kan öka i det västsvenska gasnätet på grund av ett ökat antal gaskällor och en förändring av gassammansättningen under de senaste åren.

Koncentrationen CO2 och totalt svavel har ökat, vilket ökar risken för svaveldeposition, men koncentrationen O2 är låg och kan fungera som en begränsande faktor för utfällningarna. Tillsatsen av den svavelbaserade odöriseringsmedlet, tetrahydrotiofen (THT), identifieras även som en bidragande faktor till utfällningarna.


Denna studie understryker dessutom vikten av ytterligare forskning inom detta område för att förstå och ta itu med denna komplexa fråga.

Abstract

To mitigate global warming, a shift towards renewable energy sources is in motion, including introducing biomethane into natural gas grids. However, the integration of gas from various sources has led to a problem known as elemental sulphur deposition. This phenomenon may lead to the breakdown and malfunction of pipes and equipment, posing health hazards to operators.

In 2021 solid sulphur deposition, mainly consisting of sulphur trioxide (SO3), was discovered in the west Swedish gas grid. This paper seeks to analyse the phenomenon of elemental sulphur deposition: its formation, quantity and potential mitigation strategies in the Swedish gas grid.

To answer these questions, concentration data of oxygen (O2), carbon dioxide (CO2), hydrogen sulphide (H2S) and total sulphur (S) is analysed accompanied by a rigorous literature review on the subject of elemental sulphur deposition.


The results showed that the sulphur deposition is a complex phenomenon that depends on the gas composition and technical operational conditions such as pressure and temperature drop in the pipelines. Additionally, the lubricants utilized by operators can also play a role in exacerbating the issue

The results also indicate that elemental sulphur deposition has a potential increase in the west Swedish gas grid, attributed to the rising number of gas sources and changes in gas composition in recent years.

The CO2 and total sulphur concentration have risen, increasing the risk for sulphur deposition, however the O2 concentration remains low and might act as a limiting factor. The addition of sulphur based odorant, tetrahydrothiophene (THT), may also be a contributing factor.


Furthermore, this study emphasizes the importance of further research needed in this area in order understand and address this complex issue.

Popular Abstract (Swedish)

Integrering av biometan i naturgasnätet: tekniska hinder och lösningar
Den globala uppvärmningen är ett ofrånkomligt faktum, och ett steg mot att stävja utvecklingen är ett skifte mot förnyelsebar energi. Biogas som är renad, kallas biometan och kan injiceras på redan existerande naturgasnät och leverera fossilfri gas till gasspisar och industrier. I västsvenska gasnätet transporteras både fossil naturgas och förnyelsebar biometan, varav andelen biometan förväntas att öka. Anledningen till att båda gastyperna kan pumpas in på samma gasnät är att efter en reningsprocess består naturgas och biometan till största del av metan. Trots att båda källorna producerar metan, är metanmolekylen från biogasanläggningen mer miljövänlig, inte för molekylen i sig utan för hur den producerades.
På senare år har antalet naturgaskällor i västsvenska gasnätet ökat och i energiskiftet där mer och mer biometan från olika biogasanläggningar pumpas in på naturgasgasnätet, uppstår problem; svavelutfällningar. I en ideal värld skulle bara metanmolekyler transporteras i rören. Men så är det inte. Enligt lagkrav tillsätts även odöriseringsmedel, ett svavelbaserat illaluktande medel i gasen för att gasläckor lätt ska kunna upptäckas. Gasen innehåller också små mängder av andra spårämnen (exempelvis: syre, koldioxid och svavelämnen) som kvarstår efter reningen av gasen. Det är dessa låga halter av spårämnen som kan leda till svavelutfällningar. Utfällningarna uppstår när svavelämnen i gasfas fälls ut ur gasen i fast fas. De solida partiklarna klumpar ihop sig och täpper igen utrustning. På sikt kan detta leda till att utrustningen havererar.
Detta examensarbete undersöker möjliga orsaker och åtgärder till svavelutfällningar i västsvenska gasnätet. Halva arbetet består av en litteraturstudie där orsaker och åtgärder till svavelutfällningar diskuteras och den andra halvan består av koncentrationsanalys av gasens kemiska sammansättning över flera år.
I litteraturstudien påvisas det att utfällningar sker under tryck-, och temperatursänkningar, t. ex då gas passerar genom ventiler, filterhus, munstycken eller då gasen går från stamnätet med högt tryck in i distributionsnätet med lågt tryck. Framför allt är det i trång utrustning med komplicerad, labyrintliknande konstruktion, som utfällningarna sker. Smörjoljor, rostmedel och andra medel som operatörerna använder kan också leda till utfällningar. Partiklarna från oljorna fångar nämligen upp svavelpartiklarna i gasfas som sedan klumpas ihop och fälls ut i fast fas som utfällningar. Även odöriseringsmedlet pekas ut som en bidragande faktor till utfällningar.
I litteraturstudien påvisas det att det är komponenterna syre, koldioxid, vätesulfid, och totala svavelhalten i gasen som interagerar med varandra och bildar utfällningar. Koncentrationsanalysen av dessa kemiska ämnen visar att den totala svavel-, och koldioxidhalten har ökat sedan 2022. Vätesulfidkoncentrationen håller sig kvar på samma nivå som innan. Att halterna antingen har gått upp eller håller sig på samma nivå som tidigare innebär att risken för mer utfällningar ökar trots att halterna fortsatt ligger under maxgränsen i västsvenska gasnätet. Syrenivån uppmättes däremot till så låga nivåer att syret i stället skulle tänkas att vara en begränsande faktor i bildandet av svavelutfällningar. Ett intressant fenomen som upptäcks vid två stickprov är att vätesulfidkoncentrationen sjunker mellan två provpunkter i den Halländska delen av gasnätet.

• author: Andersson, Elli
• supervisor: Jens Klingmann
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20242
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: svaveltrioxid, svavelutfällning, tryckfall, vätesulfid, svavelväte, transmissionsledning, gasledning, sulphur trioxide, elemental sulphur deposition, pressure drop, hydrogen sulphide, transmission pipelines
• report number: ISRN LUTMDN/TMHP-24/5606-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: Swedish
• id: 9178057
• date added to LUP: 2024-11-27 09:01:20
• date last changed: 2024-11-27 09:01:20